本文關(guān)鍵詞：140GHz回旋振蕩管諧振腔的并行三維粒子模擬研究

  更多相關(guān)文章： 粒子模擬 時(shí)域有限差分 OpenMP并行化 回旋管

【摘要】：從二次世界大戰(zhàn)出現(xiàn)的用于雷達(dá)的磁控管,再到后來用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)的粒子加速器,真空器件得到了長足的發(fā)展,如用于通信的行波放大器件,用于波加熱的振蕩器件等。用于ITER計(jì)劃的等離子體波加熱的回旋振蕩管一直是研究熱點(diǎn),回旋管在設(shè)計(jì)的時(shí)候需要依靠自洽非線性理論和從第一原理性出發(fā)的粒子模擬方法。從上世紀(jì)七十年代開始,PIC技術(shù)的數(shù)學(xué)框架基本確立,但是隨著應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展,粒子模擬技術(shù)為了適應(yīng)不同情況下的仿真,不斷的完善發(fā)展。粒子模擬是在知道一定的物理作用機(jī)制下,對(duì)相應(yīng)的物理問題進(jìn)行建模,運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù),對(duì)于一些非線性方程進(jìn)行求解和演化,其中方程的自洽,方程的解的收斂,方程的簡化或者優(yōu)化,都是難點(diǎn),尤其是數(shù)值計(jì)算會(huì)帶來一些異常情況,比如數(shù)值發(fā)散,數(shù)值異常振蕩,數(shù)值噪聲等。所以又要求我們引入數(shù)值方法改進(jìn),比如一些數(shù)值濾波等,才能得到理想的結(jié)果。粒子模擬方法的的出現(xiàn),使回旋管計(jì)算相對(duì)于經(jīng)典半解析半數(shù)值的方法,更加接近于真實(shí)物理情況。而比較通用的粒子模擬軟件有MAGIC,KARAT,CST,VSIM等。但是在運(yùn)算速度上和一些特殊情況處理上商業(yè)軟件不能很好解決回旋振蕩管仿真模擬問題,為此本論文從學(xué)習(xí)基礎(chǔ)的粒子模擬算法著手,研究等離子粒子模擬算法在回旋振蕩管中的應(yīng)用并編寫粒子模擬程序。本論文對(duì)三段式的回旋振蕩管諧振腔進(jìn)行相應(yīng)粒子模擬算法研究。內(nèi)容包括:1.結(jié)合FDTD方法中的Yee網(wǎng)格技術(shù),和粒子模擬的蛙跳模型,應(yīng)用差分化方程,對(duì)電磁吸收邊界CPML吸收效果進(jìn)行了分析和驗(yàn)證,并且研究了當(dāng)粒子出現(xiàn)在PML層中場的情況。學(xué)習(xí)電磁場的濾波算法,比較電磁場中心差分方法、時(shí)偏算法和高Q值方法對(duì)于電磁場的影響。2.學(xué)習(xí)了基于蛙跳法的粒子運(yùn)動(dòng)方程,粒子推進(jìn)的直接法和Boris方法,并且給出兩種方法的比較。學(xué)習(xí)滿足電流連續(xù)性原理的電流密度權(quán)重方法。研究粒子的發(fā)射模型,包括束發(fā)射模型和滿足空間電荷限制的發(fā)射模型,論述他們的合理性和優(yōu)缺點(diǎn),最后選擇回旋發(fā)射模型運(yùn)用到粒子模擬程序中。3.學(xué)習(xí)OpenMP并行技術(shù),搭建并行環(huán)境,采用基于共享內(nèi)存的隱式并行的方式。對(duì)電磁場迭代,粒子運(yùn)動(dòng)部分,還有粒子出界判斷模塊實(shí)行并行化,粒子模擬程序得到了顯著的加速。4.計(jì)算出粒子在縱向恒定磁場情況下的穩(wěn)定螺旋運(yùn)動(dòng)軌跡,并且設(shè)計(jì)偏轉(zhuǎn)磁場計(jì)算粒子的靜磁場下的偏轉(zhuǎn)軌跡。選擇合適的回旋管模型,根據(jù)電流大小,電壓大小,粒子速度位置等參數(shù)合理選擇相應(yīng)算法和模型進(jìn)行模擬仿真,觀察波注互作用過程,得到場建立的過程,同時(shí)得到粒子的速度相空間分布。并且比較本文編寫的程序和商業(yè)軟件仿真結(jié)果的區(qū)別,并分析原因。
【關(guān)鍵詞】：粒子模擬 時(shí)域有限差分 OpenMP并行化 回旋管
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN12;O53
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 緒論11-17
• 1.1 研究工作的背景與意義11-14
• 1.2 國內(nèi)外研究歷史與現(xiàn)狀14-15
• 1.3 本文的主要貢獻(xiàn)與創(chuàng)新15-16
• 1.4 本論文的結(jié)構(gòu)安排16-17
• 第二章 FDTD的基本理論17-27
• 2.1 電磁場算法17
• 2.2 電磁場算法公式推導(dǎo)17-20
• 2.3 FDTD解的穩(wěn)定性20-21
• 2.4 吸收邊界條件21-23
• 2.5 時(shí)偏算法和高Q值算法23-26
• 2.5.1 時(shí)偏算法23-25
• 2.5.2 高Q算法25-26
• 2.6 本章小結(jié)26-27
• 第三章 電磁場與粒子的耦合27-38
• 3.1 場作用于粒子28-29
• 3.2 粒子作用于場29-34
• 3.3 粒子的邊界34-37
• 3.3.1 粒子發(fā)射邊界34-36
• 3.3.2 粒子吸收邊界36-37
• 3.4 小結(jié)37-38
• 第四章 基于OPENMP并行編程38-44
• 4.1 并行編程模型38
• 4.2 基于OPENMP的并行編程模式38-43
• 4.2.1 OPENMP的基本編程介紹39-43
• 4.2.2 OPENMP的程序設(shè)計(jì)43
• 4.3 本論文OPENMP的并行模型設(shè)計(jì)43
• 4.4 本章小結(jié)43-44
• 第五章 粒子模擬程序中算法驗(yàn)證及仿真模擬44-63
• 5.1 電磁算法的相關(guān)驗(yàn)證44-51
• 5.2 粒子算法的調(diào)試51-53
• 5.3 回旋管相關(guān)的仿真結(jié)果53-63
• 第六章 全文總結(jié)與展望63-65
• 6.1 全文總結(jié)63-64
• 6.2 后續(xù)工作展望64-65
• 致謝65-66
• 參考文獻(xiàn)66-69
• 攻碩期間取得的研究成果69-70

，

本文編號(hào)：903411